直流电复仇：沉默百年后可能重夺统治地位

随着具有间歇性和波动性的可再生能源越来越多地接入电网，电网的安全性面临的挑战愈发突出，而这一挑战源自于——交流电——这种输电方式的弊端。

　　一百多年前，当托马斯·爱迪生发明电灯之后，直流电便是当时最主要的传输方式。然而，随着技术的改进和用电侧的需求增加，直流电最终败给了当时一种新型输电方式——交流电，后者在随后的一百多年间几乎完全统治了电力传输市场。

　　1903年，爱迪生为了能够保住直流电作为全美配电标准的地位，甚至导演了一场电刑事件，即使用6600伏交流电，对一头被认为威胁人类的马戏团大象实施电刑处死，以此散步恐慌来证明交流电的危险性。

　　但爱迪生以失败告终，曾经风靡一时的爱迪生通用电气公司也被迫去掉了爱迪生的名字，改名为通用电气公司。从此，交流电开始了长达百年的统治。

　　颇具讽刺意味的是，尽管爱迪生输了那场战争，但随着新能源和高科技的兴起，在110年后的今天，直流电可能会东山再起。

　　“直流电并没有被遗忘。”天威保变副总经理刘东升坦言，直流电的需求正在上升，不仅仅是高压直流输电，接入新能源的轻型直流输电也开始爆发出潜力。

　　前不久，匹兹堡大学“电力与能源计划”负责人格雷格·里德(GregReed)的一席话更是引发了一场业界骚动。他直言：“在20年内，我们电力总负载的50%将是对直流电的消费，其发展速度之快甚至超出我们的想象。”

　　而目前在全球范围内，直流电的市场份额还不足20%。

　　里德教授并非预言家，他有自己的调研数据。任何使用晶体管的设备都要靠直流电，高科技的产品更验证了这点。PC、iPhone和纯平电视机等这类依靠直流输电的数码消费设备占到今天电力消耗总量的五分之一；管理互联网和通信网络的数据中心成为直流电的另一个驱动力，使用直流能够比传统的交流电配置节约15%的能耗；而新能源的兴起——太阳能、微电网、电动汽车这些新能源的变革，无不充斥着直流电的影子，随着各国新能源比重的增加，这个数据也在与日俱增。

　　嗅觉灵敏的企业们，提前预测到了直流电变革的到来。ABB每年都拿出数十亿美元，投资于有关直流输电的技术储备。

　　2012年11月，ABB宣布在直流断路研发领域取得突破性进展，这种技术可以将广泛分布的太阳能电池板、风力涡轮机和其他可再生能源进行高效的传输，可以接入高压直流输电线路以形成柔性电网。

　　除此以外，在配电方面，ABB正在和通讯技术服务提供商green.ch公司共同设计并安装一套先进的直流配电系统；与IO公司达成协议，提出合作开发采用直流电的新型数据中心模块，推进全球第一个采用直流电的数据中心模块的研发；2011年5月，ABB还获得了Validus直流系统公司的控股权。

　　不仅仅是国际公司，国内企业也开始蠢蠢欲动。“我们正在扩充秦皇岛厂的高压直流设备产能，同时也在储备轻型直流输电技术。”刘东升说。

　　特变电工也几乎在做着与天威保变同样的工作，特变电工沈变公司副总经理钟俊涛表示，在高压输电占领足够市场份额的同时，正在尝试向国外出口一些轻型直流设备，也为国内日后的大发展做足储备。

　　大企业做储备，小企业的嗅觉也同样灵敏。法克，这位年轻的创业家把旗下江苏元中直流微电网有限公司定位为全国首家“全直流”微电网公司，如此的细分市场，用他的话说是源于对直流输电前景的看好。

　　种种迹象显示，沉默了一百余年的直流输电，正在一步步走向台前，甚至有人把这场刚刚开始的变革称为“直流电的复仇”。

　　直流电回归的新需求

　　不得不承认，直流电回归，缘于新需求，而新需求来自三个方面，一是新能源，二是高科技，三是节能。

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　　新能源的高速发展是近几年的事情，中国起步稍晚，但是发展速度却异常迅猛。比如全直流微电网，按照江苏元中直流微电网有限公司董事长助理兼直流微电网副总经理顾怡的介绍，美国的EMERGEALLIANCE联盟较早就提出直流微电网的概念，并开始做相关项目，国内却刚刚开始起步，但需求并不比国外少，一些专业的国际公司也开始进驻中国。厦门大学2012年3月已经发布了国内第一个全直流微电网项目，范围覆盖三所大学的建筑，将150千瓦的屋顶太阳能板阵列，直接连接至LED照明系统和计算机服务器机房。

　　再比如，被业界推崇的适合新能源接入的轻型直流输电也开始成为各企业的必争之地。“轻型直流输电在国内的需求已经凸显出来了，尤其是分布式光伏电站有需求。”刘东升坦言，天威保变已经把相关设备出口到了韩国，由于国内还未大规模启动，所以还处于储备的阶段，一旦有市场会迅速投产。

　　国网能源研究院副总经济师白建华也同意这个“新能源需求论”，他说：“现在的一些岛屿和海上风电场已经在应用轻型直流输电模式，而随着新能源的规模不断翻倍增长，这种输电模式会形成一种新的需求。”的确，即使远离城市中心的山区水电站、海上风电场，或一些地方屋顶太阳能电池板也越来越多地利用可再生能源来发电，这些正是“新能源需求论”的基础。

　　电动汽车是近几年业界关注的焦点，电动汽车充电站也一度成为众多企业争抢的市场，当业界纠结于它被看好的经济性时，却没有关注到它恰恰可以使直流电变得更加重要。科罗拉多大学波德分校的能源电子专家德拉甘·马克西莫维奇(DraganMaksimovic)提到，他的团队正在开发的太阳能汽车充电器，能将电池板的能量损失从10%降低至2%。这并非只是一个简单的数据，而是对直流电所产生的经济性的最好诠释。

　　蓄电池是依靠直流电运行的另一项技术，目前，我们周围蓄电池的使用越来越多，可再生能源发的多余电力就可以储存起来。

　　除了这些小功率的直流输电，对于那些大型的水电项目还需要另一种长距离大功率的直流输电模式，即正负800的直流特高压传输。2012年12月，锦屏到苏南的直流特高压线路开通，每天1亿千瓦时的清洁水电从四川源源送抵2059公里外的苏州吴江，这已经是继云广、向上之后的第三条正式送电的直流特高压输电线路。

　　直流特高压的拉动最明显不过了。“现在已经建成的这几条只是小份额，根据规划，还有20条直流线路待建设，这是多大的市场？从需求讲，后期要投运的量比已经建设的要多得多。”刘东升说。

　　对于特高压直流的需求，白建华认为，从能源基地出来的大量电力，除了三华周边用些交流外，几乎都要用直流，包括新疆、广东，以及国外电力的传输也要用直流，这将是很大的需求。在欧洲，超级电网的话题已经讨论多年，它可以将来自斯堪的那维亚堤坝水电站、德国风力发电场，以及西班牙甚至北非的大型太阳能发电场实现电力集中。美国也在规划2030年的直流骨干网，包括美国电力科学院也提出很多直流电网方面的构想，而且启动了直流电网的建设步伐，用直流电网把海上风电厂有机结合起来，再接入现有的电网。

　　“随着可再生能源的比重不断增加，将来直流电网的比重也会成正比例越来越大，最后就逐步演变成一个新兴的电网模式。”中国科学院电工研究所所长肖立业推测道。

　　除了新能源的巨大拉动力，高科技发展对直流电的需求也不容小觑。比如，管理互联网和通信网络的数据中心就是个很好的例子。当前，大型计算机站消耗的电力占全球耗电量的1.3%，以后还会更多。现在的模式是要把交流电进行转换。为了节能，一些公司自发地安装大型中央变压器，向服务器站传输380伏的直流电，以代替传统的在每台计算机上都装上变压器的模式。试想一下，如此麻烦的程序，能否直接建成一座直流数据中心？答案是可行的，日本电信巨头NTT就在位于东京西南的厚木市建成了一座使用直流电的数据中心。

　　其实，现在越来越多的电子产品都在依靠直流电运行，例如电脑、手机以及LED灯等等。目前，这些电子产品和电器均使用自带整流器，将交流电转换为直流电。

　　那么，这些高科技企业为何要把交流电转化为直流电？这就涉及到了另一大类的需求——节能。如果利用更大型的整流器在电力进入每座建筑物之前对其进行转换，这将是一个更为高效的解决方案。ABB集团预计，在建筑楼宇中使用直流电而非交流电可节省成本约10%至20%。

　　英特尔估计，在美国的直流中型数据中心每年可以节约的电能价值达120万美元。而东京的NTT公司也公开表示，直流电数据中心能够比传统的交流电配置节约15%的能耗。

　　为了更为直观的表述，法克把交流和直流做了这样的对比：“传统的交流供电系统，从配电到用电设备需要经过三次的交流电和直流电的转换，即使每次转换效率都能达到90%，三次转换后电能的利用率也只有73%。如果导入直流供电的供电系统，从配电到用电设备仅仅需要经过一次交流-直流的转换，电能的利用率会达到90%以上。”

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　　随着直流电的需求继续升温，一些新的标准也应用而生，在美国，一家位于加州桑雷蒙的“崛起联盟”企业联合体大力支持商用建筑中的直流输电，该联盟已经制定出了24伏天花板直流电路的标准，并且称使用直流线路的LED顶灯，能比通过固定设备进行交流-直流转换最多节能15%。

　　直流电“新技术反击”

　　追溯历史，不难发现，直流电和交流电的交替大战更换看似人为，实则是新技术的不断推动。电力发明之初，直流输电就是权威的代表，后来由于不能直接给直流电升压，三相交流发电机和变压器被相继发明，自然，交流输电就开始逐步取代直流输电。当前，直流输电的反击依然是依靠技术的更新。

　　“直流在一百多年前败给交流就是由于当时的技术条件所限，一是远程传输技术难点，二是当时半导体技术并未像目前一样发展，三是直流的灭弧问题没办法解决。”法克说道。

　　其实，这种更替就类似于辩论，关键是要找准对方的死穴。交流电主导了上百年，问题自然也会暴露出来。比如，当前新能源的大批量接入，能源结构的调整，造成电力系统的规模迅速扩大，使得交流大电网的安全稳定性问题日益突出。而这恰恰是直流输电的优势。

　　刘东升认为，直流输电技术革新应该从高压直流和轻型直流两部分同时进行，“水电基地和火电基地的大规模外送属于特高压直流输电范畴，而刚刚兴起的新能源短距离、小功率输送则为轻型直流输电，有不同的技术路径”。

　　准确地说应该是，自直流特高压的相关技术被攻克后，直流输电才有了更大的空间。“原本高端产品均由国外公司承揽，国内企业只做低端产品，后来，随着国内这几条直流线路的建成，国内企业也成熟起来，实现了自主研发。”按照刘东升的介绍，这样就降低了高端产品的生产成本，对于大规模的发展直流输电奠定了技术基础。

　　天威保变刚刚中标了哈密至郑州的特高压直流输电项目，但中标的只是低端产品，在高端产品的投标中失败了。连续中标三条正负800直流的高端产品后，这一次缘何没了份额？“产能！”刘东升重重地抛出了两个字。

　　当前，特高压直流输电中的高端产品只有ABB这些跨国公司和国内几家技术领先的企业可以承接，天威保变就是其中之一，当合同越签越多的时候，天威保变突然发现，生产线不够了。刚交付的锦苏直流输电项目国网又提前了工期，天威保变没有足够的生产线造成了交付的延误，“我们现在正在加速扩充设备、生产线和厂房，以快速补充产能”。

　　仅仅有了这些促进发展的新技术还不够，直流电的反攻重点还在于交流电的弊端，即安全稳定性，哪怕是一点点的进展都令业界振奋。ABB最新研制的直流断路器可以在5毫秒内切断相当于整个核电站输出功率的巨大能量流动。该断路器最突出的特点是可以用来几乎瞬间改变功率在直流电网中的流动，以绕开出现的问题，从而允许电网保持运行。“如果任何地方出现问题，所有电力都要切断，这款断路器可以切除故障线路并保持其余部分正常运行。”ABB首席技术官克莱斯·瑞图夫(ClaesRytoft)说。

　　而这点恰恰是当初直流电失败的关键技术之一，这种一百多年来一直困扰技术人员的设备可以接入高压直流输电线路以形成柔性电网。“下一步就是利用直流技术创建‘电网’，有效地平衡电力供需并确保其电力可靠性。”ABB集团对外传播部负责人托马斯·施密特表示。

　　而对于轻型直流输电，钟俊涛称，特变电工在内的国内企业均在进行技术储备。

　　ABB电力产品与系统(中国)区域销售经理刘天泉说：“直流电数据模块就是用于轻型直流输电的关键技术之一。”IO公司是下一代模块化数据中心技术和服务领域的领先供应商，正在开发采用直流电的新型数据中心模块。在数据存储迅速增长和全球网络化发展趋势的推动下，全球数据中心容量巨幅增长。

　　通常，数据中心每周7天24小时不间断运行，每平方米单位面积的耗电水平比普通办公室高15倍，能耗可高达普通办公室的100倍。可见，数据中心需要大量电力。无疑，使用直流电技术可以减少电流转换造成的损失，比传统交流电技术的能效水平高10%-20%。使用直流电的系统更简单，更节约空间，同时减少了设备以及安装和维护成本。

　　除此之外，电力设备商们还在推出一种船载直流电网，设计用于配备了低压电路的船舶，如海上支援船、拖船、渡轮和游艇。据ABB过程自动化部门负责人介绍说，“船载直流电网可以和辅助性能源如太阳能电池板、燃料电池等直接相连，船舶可以实现能源节约最大化。船载直流电网将有助于船舶从开始运营的第一天就以最高的燃料效率和低排放运营。”

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　　除了企业，科研机构也在探讨输电方式回归直流输电的可能性，自2009年初以来，肖立业带领团队对我国未来直流电网建设的合理性、网络架构和广域可再生能源资源互补利用模式及超导直流输电技术等开展了研究，他们甚至从气象局购买了大量的天气数据来证明可再生能源本身具有很好的时空互补性，电网内的可再生能源作为一个整体，其间歇性和波动性大为降低，也将大幅度降低对电力储能系统的需求，提高电网的效率和效益。

　　设备厂商加速新布局

　　随着新能源兴起引发的直流项目的增多，让设备厂商不得不开始思考新布局。“我们的产能偏弱，特高压直流、特高压交流、三峡重点工程这些中标设备，都放在秦皇岛厂来做，顾此就会失彼，这也是我们失掉哈密高端产品项目的主要原因。”刘东升说。

　　与天威保变的扩容不同，特变电工做得最多的还是储备和出口，跟随国网走出去的项目，特变电工已经分得了一杯羹。

　　而对于轻型直流输电，电力设备商们还只是在做技术储备，现在谁都不愿意错过这个新时机，“应该说，从2011年开始我们才意识到轻型直流输电一定是个大趋势。”刘东升说道。

　　李胜斌以前是做管材销售的，2012年年初转行到济南能华机电设备有限公司担任华北片区的销售工作，卖起了直流电源。生性憨厚的李胜斌说：“从我加盟的时候起，虽然直流的份额现在占比更多一些了，但企业也越来越多，再加上很多企业加大了直流的研发，反而使得直流电源行业的竞争更加激烈了，没办法，我们只能在售后上做足文章，别人保修两年，我们就三年。”

　　像李胜斌所在济南能华机电这样的中小型公司确实很多，不像大公司那样有雄厚的技术和资金支撑，定位为售后优势不失为一种人性化的战略。同样小众的江苏元中直流微电网有限公司就把自己定位为国内第一家做“全直流”微电网的企业。顾怡说：“仅2012年，我们直流微电网部门就申请了10项发明专利和9项实用新型专利，明年将会有更多知识产权方面的保护。我们希望以技术取胜。”

　　而对于ABB这样的跨国公司，网撒得则更大。ABB近期获得了Validus直流系统公司的控股权，该公司是一家提供直流电基础设施设备的领先供应商。这家公司恰恰给ABB顺利进入直流配电领域加了把火。在《能源》杂志记者的采访中，国内很多专家均表示，在配电领域引入直流电是不可思议的，“如果节约的20%电力是通过前期花费了高额安装、改造成本作为代价的，宁可不去做，况且目前没有新的技术可以支撑”。但ABB认为这是可行的，并决定把这个新技术的第一个市场放在已经决定停止核电厂并重点依靠可再生能源的德国。

　　除此之外，电器行业也在进行着转型与升级。我国“十二五”规划中，对家电业的节能环保提出了明确目标：主要家电产品能效水平平均提高10%，建立兼顾产品使用和产品制造的总能效指标体系。以空调为例，经过三年的变频普及，变频空调已经逐步替代定频空调，成为市场主流。变频技术的发展可以划分为三大阶段：交流变频、直流变频和全直流变频。当然，只有全直流的节能效果是最佳的。2012年，美的空调启动全直流升级战略，无疑是一种可供借鉴的有效模式。

　　企业在布局，各个国家也在打着自己的小算盘。肖立业认为，未来的输配电网和分布式电网将逐步向以直流为主的运行模式方向发展。目前，无论是欧洲的SuperSmart Grid构想(2050年)还是美国Grid2030构想，均提出了以直流输电网为骨干的网络结构和输电模式；美国电力科学院(EPRI)提出了Macro-Grid的概念，其基本设想也是利用直流环形电网以解决资源的综合利用问题和提高供电的安全可靠性。

　　欧洲已经计划，到2020年左右，将北海地区的海上风电场通过直流电网相连并网；美国规划2020年左右将大西洋沿岸建设的海上风电场通过直流网络向用户提供清洁的能源供应；欧美日等发达国家和地区已经就直流配电网的建设着手制定标准和建立示范工程。

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　　肖立业提出，未来电网向直流运行模式的革命性转变，将催生大量的科技创新机遇和一大批战略性新兴产业，因此需要从国家战略高度予以重视。由于我国具有地域广阔、可再生能源资源丰富、不同地区的主导能源资源各不相同、能源资源与负荷资源的时空分布不匹配等特点，因而要结合实际情况，发展与我国未来能源体系相适应的直流电网。

　　变革新难题

　　尽管直流电的变革即将来临，但与其相关的难题也随之而至。

　　比如，现有家电多采用交流设计，直流设计还未大规模推广；直流高压还无法做到直接入户；直流能否实现互联还是未知数；推广轻型直流面临一些体制限制等等。

　　顾怡说：“交流在人们日常生活中已经形成一种习惯，而改变习惯是很大的一个工程。而且由于直流没有一个统一的标准(例如电压等级)，在国内暂时没有3C认证，在某种程度上也限制了直流电器行业的发展。”

　　而对于他所从事的直流微电网行业，顾怡也表示了担忧。他提出，美国有一个EMERGEALLIANCE联盟，这个联盟由各个行业的很多家企业组成，他盼望国内也建立类似的联盟，来促进行业的发展。在庞大的电力系统面前，顾怡和他的全直流微电网团队显得微不足道，他希望通过一种组织把自己变得强大起来，但似乎一直苦于没有找到出路。

　　全国工商联新能源商会新能源动力与储能委员会李雷也表示了同样的担忧，他说：“我们所用的家用电器都是交流电发出来的，各种电器必须和它配套，直流电还涉及到电量储存的问题，现在的储能还没有非常成熟的技术。”

　　争议最大的莫过于直流高压能否直接入户的问题。里德认为，要将高压交流电转换成120伏特的居民用电，造成的能量损失要比等效的直流电系统高出5%。如果在输电端使用高压直流电，在消费端也使用直流电，就能在两端间实现中压直流输电了。有了这样的节能方式，里德预测，从高压电线直接到底端用户的直流电传输的首次实现并不遥远，尤其是在那些正在兴建新电力基础设施的发展中国家。里德甚至公开表示：“我认为美国在10年内，中国在3-5年内就能实现这一目标。”

　　而国内的专家们却没有这么乐观，薛禹胜，这位跟电力打了几十年交道的中国工程院院士、国网电科院名誉院长认为，短期内中国很难实现直流直接到户的目标，用直流电做配网还处在研究阶段，即使将来实施也需要很长的时间。

　　刘东升也认为就目前国内企业掌握的技术而言，还倾向于把高压直流转化成交流再入户，未来三五年实现直接入户的目标很难，“除非有突破性的技术”。

　　对于直流输电线路的互联，白建华说可以曲线救国，但还是要借助交流，无法做到完全直流互联，“现在，三华地区的直流规划很多，直流多了就要把三华地区用交流连起来，有利于电压稳定，直流就好控制了”。

　　肖立业却持有不同的观点，他认为利用超导直流输电可以搭建起一个跨区域的骨干电网，日本、美国、德国已经做了一些关于超导直流输电方面的示范工作。中国未来的直流电网的构造模式，就是构建一个全国统一的、多层次的直流环形电网。这个环形电网上面，可以把不同的电源和负载都接到上面，通过环形电网进行有机的整合和控制。不同区域的环网可以有机的通过输电线路连接起来。

　　轻型直流输电是业界广泛认同的一种模式，但是南瑞智源电气技术有限公司的大客户经理宋丽霞还是泼了一盆冷水：“我手头现有的项目一个还没有成型，不在于经济也不在于技术，而是体制问题，必须国家出面才能协调，而新能源想发展，这又是不可逾越的难题。”

　　任何一场变革，都不会是一帆风顺的，一百年前的爱迪生为了保住直流电的地位也是想尽了办法，如今的交流电也是一样。只是，当今人们讨论的重点不再是直流和交流孰是孰非了，而是如何能协同发展，或许，在这样的一个大前提下，直流电的复兴会少了一些莫须有的绊脚石。